Tài liệu CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT pptx

CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT
Trong địa chất công trình nghiên cứu nước dưới đất nhằm:
1. Tính toán để khi khai thác nước dưới đất nhằm phục cho các nhu cầu
sinh hoạt, phục vụ công nông nghiệp
2. Tính toán lựa chọn các biện pháp để tháo khô hố móng các công
trình đặt thấp hơn mực nước dưới đất
3. Tính lượng nước thấm mất của các công trình giữ, dẫn nước và tìm
giải pháp khắc phục
Nghiên cứu các vấn đề chung về:
Nguồn gốc nước dưới đất
Các tầng chứa nước, sự hình thành và đặc tính của nó
Chất lượng và trữ lượng của nước dưới đất


5.1. Nguồn gốc nước dưới đất
5.1.1. Khái niệm:
Nước dưới đất: nằm dưới mặt đất gồm tất cả các loại nước nằm trong đá
gốc, trong các thành tạo đất mềm rời và trong vỏ phong hóa.
1. Nguồn gốc khí quyển
2. Nguồn gốc trầm tích:
3. Nguồn gốc magma:
4. Nguồn gốc biến chất:
Thí dụ khi chuyển thạch cao thành anhydrit tạo thành nước thứ
sinh


5.2. Phân loại nước dưới đất theo điều kiện thế nằm
Nước trong đới
thông khí

Nước ngầm
Nước áp lực
Nước thổ
nhưỡng
Nước thượng tầng
Đới thông khí
Đới bão hoà
Tầng cách nước
Hình 5.1 : Sơ đồ các tầng nước dưới đất


Dựa theo điều kiện thế nằm, Klimentov P.P và Ovsinnhicov A.M chia
nước dưới đất ra làm 3 loại :
Nước trong đới thông khí
Nước ngầm
Nước áp lực
5.2.1. Nước trong đới thông khí:
5.2.1.1. Khái niệm đới thông khí
5.2.1.2. Nước thổ nhưỡng
a. Khái niệm
b. Đặc điểm nước thổ nhưỡng
c. Ảnh hưởng của nước thổ nhưỡng tới xây dựng
Không có giá trị sử dụng nhưng ảnh hưởng lớn đến tính chất
vật lý và cơ học đất đá


5.2.1.3. Nước thượng tầng
a. Khái niệm
Trong đới thông khí nếu tồn tại thấu kính sét, trên đó phân bố
nước gọi là nước thượng tầng.

b. Đặc điểm nước thượng tầng
c. Ảnh hưởng của nước thượng tầng tới xây dựng
- Trong xây dựng hố móng và công trình ngầm, nước gây ngập
úng hố móng, gây xói ngầm cát chảy.
Ngoài ra trong đới thông khí còn có nước mao dẫn, nước màng
mỏng, nước hấp phụ bao quanh bề mặt hạt đất đá. Chúng đều liên quan
lượng mưa và thời tiết


5.2.2. Nước ngầm
5.2.2.1. Khái niệm: là loại nước trọng lực nằm trong tầng chứa nước
thứ nhất (đới bão hòa nước), phân bố trên mặt của lớp đất đá không
thấm nước (tấng cách nước) đầu tiên kể từ trên mặt đất xuống.
5.2.2.2. Đặc điểm nước ngầm
Không áp
Miền cung cấp, phân bố, thoát trùng nhau
Trữ lượng không ổn định
Chất lượng: nhiễm bẩn cao bởi nhân tố khí hậu, khí tượng
5.2.2.3. Ảnh hưởng của tầng chứa nước ngầm đến xây dựng
Ăn mòn vật liệu xây dựng, nước chảy vào hố móng khi thi công, xảy ra
các hiện tượng cát chảy, xói ngầm dưới hố móng công trình,


5.2.3. Nước áp lực
5.2.3.1. Khái niệm
Đó là nước trọng lực nằm trong tầng chứa nước kẹp giữa 2 tầng cách
nước ổn định. , khi khoan vào tầng chứa nước này nước tự phun ra
ngoài.
5.2.3.2. Đặc điểm của nước có áp
H

z
a
c
b
Hình 5.2 : Sơ đồ tầng chứa nước áp lực
a. miền cung cấp, b. miền phân bố, c. miền thoát


5.2.3.3. Ảnh hưởng của tầng chứa nước áp lực đến xây dựng
Nước có áp có thể gây ra hiện tượng bục đáy hố móng khi thi công, tạo
ra áp lực nước ở đáy móng, áp lực lên vỏ áo các công trình ngầm
Khi thi công điều kiện để cho đáy hố móng không bị bục là trọng lượng
của tầng cách nước ở đáy hố móng phải bằng hoặc lớn hơn áp lực đẩy
ngược của nước áp lực, tức là :
( )
mhm
nđ
+≥
γγ
h
t
m
Tầng chứa nước
Lớp cách nước


5.2.4. Phương pháp xác định hướng của dòng chảy
Hướng nước chảy thẳng góc với các đường đó theo chiều hạ thấp mực
nước (hoặc mực áp lực). Nước chảy từ nơi có áp lực cao sang nơi có áp
lực thấp hơn.

A
36
B
40
C
34
Hình 5.4: Xác định hướng dòng chảy bằng 3 lỗ khoan

Nước dưới đất bị phân ly: H
2
O ↔ H
+
+ OH
-
Trị số pH: :pH = - lg[H
+
]
Nước có phản ứng trung hòa:
[H
+
] = [OH
-
] = 10
-7
→ pH = -lg10
-7
= 7
Căn cứ vào trị số pH chia ra:
Nước có tính axit mạnh : pH < 5
Nước có tính axit : pH = (5 - 7)

Nước trung tính : pH = 7
Nước có tính bazơ : pH = (7 - 9)
Nước có tính bazơ mạnh : pH > 9
5.3. Một số đặc tính hoá học nước dưới đất
5.3.1. Độ pH


5.3.2. Độ cứng :Lượng các ion Ca
2+
và ion Mg
2+
có trong nước chính
là yếu tố tạo nên độ cứng của nước.
Độ cứng tổng cộng
Độ cứng tạm thời
Độ cứng vĩnh cửu
Theo Alenkin, theo độ cứng tổng cộng thì có thể chia nước
dưới đất thành 5 loại :
Nước rất mềm : Độ cứng tổng cộng < 1.5 mgđl/l (meq/l)
Nước mềm : Độ cứng tổng cộng = (1.5 - 3) mgđl/l (meq/l)
Nước hơi cứng :Độ cứng tổng cộng = (3 - 6) mgđl/l (meq/l)
Nước cứng : Độ cứng tổng cộng = (6 - 9) mgđl/l (meq/l)
Nước rất cứng :Độ cứng tổng cộng > 9 mgđl/l (meq/l)


5.3.3. Độ khoáng hoá: là tổng các lượng khoáng chất tìm thấy trong
nước.
Để xác định độ tổng khoáng hóa, có thể dựa vào lượng cặn khô sau khi
cho nước bốc hơi ở nhiệt độ 105
0

C.
Tùy theo độ khoáng hóa, có thể phân nước dưới đất thành các loại sau :
Nước siêu nhạt : Độ khoáng hóa < 0.2 g/l
Nước nhạt : Độ khoáng hóa = (0.2 - 1.0) g/l
Nước lợ : Độ khoáng hóa = (1 - 3) g/l
Nước hơi mặn : Độ khoáng hóa = (3 - 10) g/l
Nước mặn : Độ khoáng hóa = (10 - 35) g/l
Nước muối : Độ khoáng hóa > 35 g/l


5.3.4. Tính ăn mòn
5.3.4.1 Các dạng ăn mòn của nước dưới đất :
Thành phần khoáng trong xi măng portland (xi măng silicat
thông thường) gồm có:
Silicat tri canxit C
3
S 3CaO.SiO
2
Silicat bicanxit C
2
S 2CaO.SiO
2
Aluminat tri canxit C
3
A 3CaO.Al
2
O
3
Fero aluminat tetra canxit C
4

Al.F 4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
Thành phần phụ như : CaO, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
, MgO ở trạng thái tự do.
Trong quá trình thủy hóa, ximăng kết hợp với nước tạo ra một số chất
mới như Ca(OH)
2
, 3CaO.Al
2
O
3
.31H
2
O, 2CaO.SiO
2
.nH
2

O theo các
phản ứng sau :
3CaO.SiO
2
+ nH
2
O = Ca(OH)
2
+ 2CaO.SiO
2
(n-1)H
2
O
2CaO.SiO
2
+ nH
2
O = 2CaO.SiO
2
nH
2
O
3CaO.Al
2
O
3
+ 31H
2
O = 3CaO. Al
2

O
3
31H2O
4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
+ nH2O = 3CaO.Al
2
O
3
31H
2
O +CaO.Fe
2
O
3
mH
2
O


a. Ăn mòn rửa trôi
Nước hoà tan Ca(OH)
2
là thành phần tự do có trong ximăng hoặc do

C
3
S bị thuỷ hoá sinh ra.
Sự hoà tan Ca(OH)
2
trong nước phụ thuộc vào độ cứng cacbonat, tức là
hàm lượng HCO
3
có mặt trong nước. Khi hàm lượng HCO
3
-
càng ít thì
Ca(OH)
2
càng bị hoà tan mạnh, quá trình hoà tan xảy ra theo phản ứng.
Ca(OH)
2
+ Ca(HCO
3
)
2
= 2 CaCO
3
+ 2H
2
O
CaCO
3
sinh ra sau phản ứng sẽ bao phủ lên cấu kiện bêtông và ngăn
cản sự hoà tan của Ca(OH)

2
Mặt khác, trong quá trình thuỷ hoá ximăng, 2CaO.SiO
2
nH
2
O mới sinh
ra chỉ tồn tại ổn định trong cấu kiện bêtông khi trong nước có nồng độ
Ca(OH)
2
lớn hơn 1,45g/l. Nếu hàm lượng Ca(OH)
2
trong nước ít thì
2CaO.SiO
2
nH
2
O bị phân giải theo phản ứng sau:
2CaO.SiO
2
nH
2
O → Ca(OH)
2
+CaO.SiO
2
mH
2
O

b. Ăn mòn muối
Nước dưới đất thường có chứa các thành phần có dạng muối như
MgSO
2
, CaSO
4
, NaCl, MgCl
2
. Các muối này sẽ phản ứng với các thành
phần khoáng do ximăng thuỷ hoá sinh ra
3CaSO
4
+3CaO. Al
2
O
3
31H2O→3CaO. Al
2
O
3
.3CaSO
4
31H2O
MgSO
2
+ Ca(OH)
2
+ H2O→ CaSO
4
.2H2O +Mg(OH)

2
MgCl
2
+ Ca(OH)
2
→ CaCl
2
+Mg(OH)
2
c. Ăn mòn axit
Nước dưới đất có chứa một số loại axit như HCl, H
2
SO
4
…Các
axit này có phản ứng như sau:
Ca(OH)
2
+ H
2
SO
4
= Ca(SO
4
).2H
2
O
Ca(OH)
2
+ HCl = CaCl

2
+ 2H
2
O


d. Ăn mòn CO
2
Trong nước nếu có chứa nhiều CO
2
hoà tan thì khi tác
dụng với ximăng sẽ có phản ứng sau:
Ca(OH)
2
+ CO
2
= CaCO
3
+H
2
O
CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O = Ca(HCO
3
)

2
Ca(HCO
3
)
2
là chất dễ bị hoà tan trong nước nên sau phản
ứng thì Ca(OH)
2
do ximăng thuỷ hoá sinh ra hoặc là thành phần
tự do trong ximăng đều hoà tan biến mất và do đó cấu kiện
bêtông ngày càng bị rỗng.


5.4. Các loại bản đồ địa chất thuỷ văn chuyên môn
5.4.1. Bản đồ thuỷ đẳng cao
Là một bản đồ gồm các đường đồng mực của mặt nước ngầm tức là
đường nối các điểm trên mặt nước ngầm có cùng độ cao tuyệt đối.
Ý nghĩa bản đồ thuỷ đẳng cao
Xác định hướng nước ngầm chảy,
Xác định độ dốc của nước ngầm
Nếu trên bản đồ có đường đồng mực địa hình thì ta có thể xác
định được chiều sâu mực nước ngầm.
Là một công cụ giúp ta chọn vị trí bố trí hợp lý các giếng lấy
nước hoặc thoát nước
Cho biết sự liên hệ giữa nước ngầm và nước mặt.


s
ô
n

g
Đường thuỷ đẳng cao
Đường đồng mức địa hình


5.4.2. Bản đồ thuỷ đẳng áp
Là một bản đồ gồm các đường đồng mực của mặt áp lực tức là
đường nối các điểm có cùng cột mực áp lực
Ý nghĩa của bản đồ thuỷ đẳng áp
Xác định được hướng nước chảy của nước có áp,
Xác định độ dốc mặt áp lực mà người ta gọi là građien áp lực,
Nếu trên bản đồ có đường đồng mực địa hình thì ta có thể xác
định được chiều sâu mực áp lực,
Là một công cụ giúp ta xác định vị trí bố trí các công trình lấy
nướcvà thoát tương tự bản đồ thuỷ đẳng cao.
5.4.2. Bản đồ thuỷ sâu
Là bản đồ thể hiện độ sâu mực nước ngầm, có ý nghĩa trong
công trình xây dựng và khai thác nước dưới đất


5.5. Biểu diễn kết quả phân tích nước dưới đất: trọng lượng
ion, đương lượng và phần trăm đương lượng
5.5.1. Dưới dạng trọng lượng
ion
Đối với nước nhạt và nước lợ: g/l
nước hoặc mg/l nước
Đối với nước biển và đại dương
cũng như các loại muối dưới
đất thường biễu diễn theo: g/kg
nước, hoặc g/100g nước.

Ví dụ kết quả phân tích sau
Ion (Cation) mg/l
Na
+
Ca
2+
Mg
2+
46
90
84


5.5.2. Dưới dạng đương lượng ion
Để tính chuyển từ trọng lượng ion thành đương lượng ion cần phải khối
lượng phân tử cho hóa trị của nó
Ví dụ: Đượng lượng ion của Canxi = 40,08/2= 20,04
Đương lượng của ion Magie = 24,32/2= 12,16
Mgdl/l = mg/l chia cho đương lượng ion
Chú ý: Trong thành phần của nước thì tổng mgdl/l của anion và cation
bằng nhau, nhưng trong thực tế phân tích thì không bao giờ chuẩn
hoá được kết các ion phân ly, do đó kết quả phân tích thực tế thì
tổng trên có thể không bằng nhau.


5.5.3. Dưới dạng % đương lượng ion
% đương lượng của anion % đương lượng của anion
100% ×=
∑
A

A
A
100% ×=
∑
C
C
C


Ion mg/l mgdl/l % mgdl
Cation
Na
+
Ca
2+
Mg
2+
46
90
84
Tổng
Anion
Cl
-
SO
4
2-
HCO
3
-

70
216
427
Tổng


Ion mg/l mgeq/l % đương lượng
Cation
Na
+
Ca
2+
Mg
2+
46
90
84
2
4,5
7
14,81
33,33
51,86
Tổng 13,5 100
Anion
Cl
-
SO
4
2-

HCO
3
-
70
216
427
2
4,5
7
14,81
33,33
51,86
Tổng 13,5 100


)8,6(.25
)8,14()3,33()9,51(
)8,14()3,33()9,51(
)933,0()038,0(
0
22
2
43
2
pHT
NaCaMg
ClSOHCO
gMCO =
+++
−−−

Đọc tên: Bicacbonac clorua magiê canxi
5.5.4. Dưới dạng công thức Kurlov
Tên gọi đối với nước thì đọc đối với các thành phần có hàm lượng
lớn hơn 20% đl theo thứ tự từ lớn đến bé, từ các anion dến kation.
325,6
5,375,62
75,43
3
25,56
2,8
TpH
CaMg
ClHCO
M